Кислородсодержащие азотсодержащие органические вещества тест. Аттестационная работа химизм процесса деструктивной гидрогенизации. Самостоятельная работа учащихся
Преподаватель:
Учебное заведение: профессиональный лицей метрополитена г. Санкт - Петербурга
Учебная дисциплина: химия
Тема: «Кислородсодержащие и азотсодержащие органические соединения»
Целевая аудитория: 1курс
Тип урока: обобщение материала, 1 акад. час.
Цели урока:
Знание: знать формулы и свойства кислородосодержащих и азотосодержащих органических веществ
Понимание: понимать зависимость свойств веществ от строения молекулы, от функциональной группы
Применение: использовать сведения о свойствах веществ для составления уравнений химических реакций.
Анализ: анализировать взаимное влияние групп атомов в молекулах органических веществ.
Синтез: обобщать сведения о свойствах органических веществ в виде цепочки превращений
Оценка: проводить самооценку по предложенным рубрикам.
Оборудование: интерактивная доска, мультимедийная презентация.
План урока:
1. Орг. момент
2. Повторение ранее изученного.
3. Выступления студентов.
4. Самоопределение студентов по уровням самооценки.
5. Самостоятельная работа учащихся.
6. Подведение итогов по критериально - ориентированной системе.
7. Домашнее задание.
Ход урока
1. Организационный момент.
Построение группы, рапорт старосты группы о количестве присутствующих учащихся.
2. Повторение ранее изученного
Сведения о функциональных группах, классах кислородосодержащих и азотосодержащих веществ, о простейших представителях этих классов с применением интерактивной доски и мультимедийной презентации.
Какая группа атомов, обязательно присутствующая в молекулах веществ данного класса, определяет химическую функцию вещества, т. е. его химические свойства?
Ответ: функциональная группа атомов
Дайте название функциональной группе - ОН
Ответ: гидроксильная группа атомов.
Какой класс веществ определяет гидроксильная группа атомов?
Ответ: Спирты, если 1 группа – ОН, одноатомные спирта, если более одной группы - ОН, многоатомные спирты.
Дайте название функциональной группе - СОН. Какой класс веществ она определяет?
Ответ: альдегидная группа, определяет класс альдегидов.
Дайте название функций группе – СОН. Какой класс она определяет?
Ответ: карбоксильная группа, определяет класс карбоновых кислот.
Дайте название функций группе - NH2. Какой класс она определяет?
Ответ: аминогруппа определяет класс аминов или класс аминокислот.
Слушаем сообщения учащихся с представлением мультимедийных презентаций о простейших представителях различных классов кислородосодержащих и азотосодержащих веществ.
3.Выступления студентов.
Сообщение 1 .
Этанол С2Н5ОН, класс одноатомные спирты, функциональная группа – гидроксильная группа атомов – ОН. Качественная реакция – взаимодействие с оксидом меди (II) с образованием альдегида. Химические свойства (выделяем 2 реакции) – горение и взаимодействие с металлами (Na).
Сообщение 2 .
Пропантриол (глицерин) С3Н7(ОН)3. Класс – многоатомные спирты, функциональные группы – несколько гидроксильных групп – ОН. Качественная реакция – взаимодействие с гидроксидом меди (II). Химические свойства – взаимодействие с натрием и с галогеноводородами.
Лабораторный опыт:
В пробирку наливаем около 1мл раствора сумората меди (II) и добавляем немного раствора гидроксида натрия до образования голубого осадка гидроксида меди (II). К полученному осадку добавляем по каплям раствор глицерина. Взболтаем смесь. Отмечаем превращение голубого осадка в раствор синего цвета.
(глицерин + Cu(OH)2 ----- синий раствор)
Сообщение 3.
Фенол C6H5OH – простейший представитель класса фенолов.
Функциональная группа – гидроксильная группа –OH. Качественная реакция – образование фиолетового раствора при взаимодействии с хлоридом железа (III) или образование белого осадка при взаимодействии с бромом. Химические свойства: фенол – слабая кислота, взаимодействует в металлами (Na) со щелочами (NaOH) и с бромом.
Сообщение 4.
Этаноль или уксусный альдегид CH3-COH Функциональная группа – COH альдегидная группа. Класс – альдегиды. Качественная реакция – реакция «серебряного зеркала». Химические свойства: реакция восстановления и реакция окисления.
Лабораторный опыт: демонстрационный опыт.
В пробирку, содержащую 1мл альдегида (водный раствор) прибавляем немного капель аммиачного раствора оксида серебра. Нагреваем пробирку. Наблюдаем выделение серебра на стенках пробирки, поверхность стекла становится зеркальной.
Сообщение 5.
Этановая кислота CH3-COOH (уксусная кислота). Класс – карбоновые кислоты. Функциональная группа – COOH карбоксильная группа. Качественная реакция – индикатор лакмус приобретает красный цвет.
Химические свойства: как любая кислота взаимодействует с металлами (Na), основными оксидами (Na2O), щелочами (NaOH).
Лабораторный опыт:
В сухую чистую пробирку с универсальным индикатором прилить немного уксусной кислоты. Индикатор краснеет.
Сообщение 6.
Глюкоза C6H12O6. Класс – углеводы. Функциональные группы: 5-OH и 1-COH, т. е. альдегидроспирт. Качественные реакции: взаимодействие с гидроксидом меди с образованием синего раствора. Реакция «серебряного зеркала» с выделением серебра на стенках пробирки. Химические свойства: восстановление в шестиатомный спирт, окисление в глюконовую кислоту, реакция брожения .
Сообщение 7.
Анилин C6H5-NH2.
Функциональная группа – NH2 аминогруппа. Класс – амины. Качественная реакция: взаимодействие с бромной водой с образованием белого осадка. Химические свойства: взаимодействие с соляной кислотой и с бромом.
Сообщение 8.
Аминоэтановая кислота NH2-CH2-COOH или аминоуксусная кислота.
Класс – аминокислоты. Функциональные группы: - NH2 аминогруппа и –COOH карбоксильная группа. Химические свойства: АК – амфотерные соединения; - NH2 сообщает основные свойства, - COOH – кислотные свойства. Поэтому аминокислоты способны соединяться друг с другом, образуя белковые молекулы, а белок – основа жизни на нашей планете.
4. Самоопределение студентов по уровням самооценки.
Интерактивная доска: учащиеся знакомятся с картой самооценки развития на уроке и отмечают свой уровень.
1. Я могу определить функциональную группу и простейшего представителя класса органических веществ с помощью преподавателя и конспекта (6-7баллов).
2. Я могу определить функциональную группу, простейшего представителя класса органических веществ без помощи преподавателя и без помощи конспекта (8-10баллов).
3. Я могу определить качественную реакцию и химические свойства вещества с помощью преподавателя и конспекта (11-14баллов).
4. Я могу определить качественную реакцию и химические свойства вещества без помощи преподавателя и без конспекта (15-18баллов).
Класс | Функциональные группы | Простейший представитель | Качественные реакции | Химические свойства |
Одноатомные спирты | ||||
Многоатомные спирты | ||||
Фенолы | ||||
Альдегиды | ||||
Карбоновые кислоты | ||||
Углеводы | ||||
Амины | ||||
Аминокислоты |
Учащиеся знакомятся с критериально - ориентированной системой оценивания.
Критерии:
18 – 15 баллов – «отлично»
баллов – «хорошо»
10 – 6 баллов – «удовлетворительно»
5 и менее – «неудовлетворительно»
5. Самостоятельная работа учащихся.
6. Подведение итогов по критериально - ориентированной системе (объявление количества баллов учащимся).
7. Домашнее задание: заполнение таблицы.
Гетероорганические соединения (серо-, кислород- и азотсодержащие) различного строения и молекулярной массы присутствуют в разнообразных пропорциях в дистиллятных и остаточных фракциях нефти. Особенно сложно изучение природы и состава высокомолекулярных гетероорганических соединений, основной частью которых являются смолоасфальтеновые вещества. Благодаря неподеленным парам электронов гетероатомы серы, кислорода и азота способны выступать в качестве координирующего центра при образовании ассоциатов в нефтяных системах.
Серосодержащие соединения относятся к наиболее представительной группе гетероатомных компонентов газоконденсатных и нефтяных систем. Общее содержание серы в нефтегазовых системах колеблется в широких пределах: от сотых долей процента до 6-8 % (масс.) и более. Высокое содержание общей серы характерно для газоконденсатов Астраханского , Карачаганакского (0,9 %) и др. месторождений. Содержание серосодержащих соединений в некоторых нефтях достигает 40 % (масс.) и выше, в некоторых случаях нефть почти целиком состоит из них. В отличие от других гетероатомов, преимущественно концентрирующихся в CAB, значительная доля серы содержится в дистиллятных фракциях. Как правило, содержание серы в прямогонных фракциях возрастает по мере повышения температуры их кипения и общей сернистости исходной нефти.
В нефтегазовых системах присутствуют незначительные количества неорганических серосодержащих соединений (элементная сера и сероводород), они также могут образоваться как вторичные продукты разложения других серосодержащих соединений при высоких температурах в процессах перегонки, деструктивной переработки. Среди серосодержащих соединений, найденных в нефти, идентифицированы следующие (по данным Института химии нефти Тф СО РАН).
1. Алифатические, алициклические и ароматические тиолы (меркаптаны) R-SH:
С 6 Н 5 С n H 2 n +1 SH С n H 2 n +1 С 6 Н 5 SH C 10 H 7 SH
ареноалканотиолы тионафтолы
2. Тиоэфиры (сульфиды) следующих основных типов:
R-S-R" C 6 H 5 -S-C 6 H 5
тиаалканы, тиаалкены, тиаалкины диарилсульфиды
тиациклоалканы алкиларилсульфиды арилтиаалканы
(R, R" - предельные и непредельные алифатические углеводородные заместители).
3. Диалкиддисульфиды R-S-S-R", где R, R" - алкильные, циклоалкильные или арильные заместители.
4. Тиофены и их производные, важнейшими из которых являются следующие аренотиофены:
алкилбензотиофены алкилбензонафтотиофены алкилдибензотиофены
Распределение различных групп серосодержащих соединений в нефтях и в нефтяных фракциях подчиняется следующим закономерностям.
Тиолы содержатся практически во всех сырых нефтях обычно в малых концентрациях и составляют 2-10 % (маcc.) от общего содержания серосодержащих соединений. В газоконденсатах присутствуют в основном алифатические меркаптаны C 1 -С з. Некоторые нефти и газоконденсаты и их фракции представляют собой естественные концентраты меркаптанов, примерами которых могут служить бензиновые фракции супергигантского месторождения Прикаспия; фракция 40-200°С газоконденсата Оренбургского месторождения, содержащая 1,24 % (маcc.) общей серы, в том числе 0,97 % меркаптановой; легкая керосиновая фракция 120-280°С нефти месторождения Тенгиз, содержащая 45-70 % меркаптановой серы от общего содержания серосодержащих соединений. При этом запасы природных тиолов в углеводородном сырье Прикаспийского региона соответствуют уровню их общемирового получения синтетическим путем. Природные тиолы - перспективное сырье для синтеза пестицидов (на основе симметричных триазинов) и одоризации сжиженных газов. Перспективная потребность России в тиолах для одоризации в настоящее время составляет 6 тыс. тонн /год.
Тиоэфиры составляют до 27 % от суммы серосодержащих соединений в сырых нефтях и до 50 % - в средних фракциях, в тяжелых вакуумных газойлях содержание сульфидов меньше. Методы выделения нефтяных сульфидов основаны на их способности образовывать комплексные соединения донорно-акцепторного типа за счет передачи неподеленной пары электронов атома серы на свободную орбиталь акцептора. В качестве акцептора электронов могут выступать галогениды металлов, галогеналкилы, галогены. Реакции комплексообразования с нефтяными сульфидами протекают, к сожалению, не селективно; в образовании комплексов могут принимать участие и другие гетероатомные компоненты нефти.
Диалкилдисульфиды в сырых нефтях не обнаружены, они обычно образуются при окислении меркаптанов в мягких условиях и поэтому присутствуют в бензинах (до 15 %). Основная доля серосодержащих соединений нефтей приходится на так называемую "остаточную" серу, не определяемую стандартными методами. В ее составе преобладают тиофены и их производные, поэтому раньше "остаточную" серу называли "тиофеновой", однако с помощью масс-спектрометрии отрицательных ионов в ней обнаружены ранее не определявшиеся сульфоксиды, сульфоны и дисульфан. В бензиновых фракциях содержание производных тиофена мало, в средних и особенно высококипящих фракциях оно достигает 50-80 % от суммы серосодержащих соединений. Относительное содержание тиофеновых производных, как правило, совпадает со степенью ароматичности нефтяной системы. Трудности, возникающие при выделении серосодержащих соединений (особенно из высококипящих фракций), вызваны близостью химических свойств аренов и тиофенов. Схожесть их химического поведения обусловлена ароматичностью тиофенов, возникающей как результат включения гетероатома серы в π–электронную систему до ароматического секстета. Следствием этого является повышенная склонность нефтяных тиофенов к интенсивному межмолекулярному взаимодействию.
Кислородсодержащие соединения содержаться в нефтяных системах от 0,1-1,0 до 3,6 % (масс.). С повышением температуры кипения дистиллятных фракций содержание их возрастает, причем основная часть кислорода сосредоточена в смолоасфальтеновых веществах. В составе нефтей и дистиллятов содержится до 20 % и более кислородсодержащих соединений.
Среди них традиционно выделяют вещества кислого и нейтрального характера. К кислым компонентам относятся карбоновые кислоты и фенолы. Нейтральные кислородсодержащие соединения представлены кетонами, ангидридами и амидами кислот, сложными эфирами, фурановыми производными, спиртами и лактонами.
Присутствие в нефтях кислот было обнаружено очень давно из-за высокой химической активности по сравнению с УВ. История обнаружения их в нефти такова. При получении керосина высокого качества для осветительных целей его обрабатывали щелочью (кислотно-щелочная очистка) и при этом наблюдали образование веществ, обладающих высокой эмульгирующей способностью. Впоследствии выяснилось, что эмульгаторами являются натриевые соли кислот, содержащихся в дистиллятных фракциях. Экстракция водными и спиртовыми растворами щелочей является и сегодня классическим приемом извлечения кислых компонентов из нефтей. В настоящее время методы выделения кислот и фенолов также основаны на взаимодействии их функциональных групп (карбоксильной и гидроксильной) с каким-либо реагентом.
Карбоновые кислоты являются наиболее изученным классом кислородсодержащих соединений нефти. Содержание нефтяных кислот по фракциям меняется по экстремальной зависимости, максимум которой приходится, как правило, на легкие и средние масляные фракции. Методом хромато-масс-спектрометрии идентифицированы различные типы нефтяных кислот. Большинство из них относится к одноосновным (RCOOH), где в качестве R может быть практически любой фрагмент углеводородных и гетероорганических соединений нефти. Давно замечено, что групповые составы кислот и нефтей соответствуют друг другу: в метановых нефтях преобладают алифатические кислоты, в нафтеновых - нафтеновые и нафтеноароматические кислоты. Обнаружены алифатические кислоты от C 1 до С 25 линейного строения и некоторые разветвленного строения. При этом у нефтяных кислот соотношение н-алкановых и разветвленных кислот совпадает с соотношением соответствующих углеводородов в нефтях.
Алифатические кислоты представлены, в первую очередь, н-алкановыми кислотами. Из разветвленных кислот более распространены содержащие метильный заместитель в основной цепи. Все низшие изомеры этого типа найдены в нефтях, вплоть до С 7 . Еще одна важная группа алифатических кислот - кислоты изопреноидного строения, среди которых доминируют пристановая (С 19) и фитановая (С 20).
Алициклические (нафтеновые) кислоты нефти - это моноциклокарбоновые кислоты - производные циклопентана и циклогексана; полициклические могут содержать до 5 колец (данные для калифорнийской нефти). Группы СООН в молекулах моноциклических кислот непосредственно соединены с циклом или находятся на конце алифатических заместителей. В цикле может быть до трех (чаще всего метальных заместителей), наиболее распространенными положениями которых являются 1, 2; 1, 3; 1, 2, 4; 1, 1, 3 и 1, 1, 2, 3.
Молекулы три-, тетра- и пентациклических кислот, выделенных из нефтей, построены в основном из сконденсированных между собой циклогексановых колец.
Установлено присутствие в нефтях гексациклических нафтеновых кислот с циклогексановыми кольцами. Ароматические кислоты в нефтях представлены бензойной кислотой и ее производными. В нефтях обнаружено и множество гомологических рядов полициклических нафтеноароматических кислот, а идентифицированы моноароматические стероидные кислоты в самотлорской нефти
Из кислородсодержащих соединений нефтяные кислоты характеризуются наибольшей поверхностной активностью . Установлено, что поверхностная активность как малосмолистых, так и высокосмолистых нефтей значительно снижается после удаления из них кислых компонентов (кислот и фенолов). Сильные кислоты принимают участие в образовании ассоциатов нефтей, что показано при изучении их реологических свойств.
Гораздо хуже кислот изучены фенолы. Их содержание в нефтях западно-сибирских месторождений колеблется от 40 до 900 мг/л. В западно-сибирских нефтях концентрации фенолов возрастают в ряду С 6 <С 7 << С 8 <С 9 . В нефтях обнаружены фенол, все крезолы, ксиленолы и отдельные изомеры С 9 . Установлено, что соотношение между фенолами и алкилфенолами колеблется в пределах от 1: (0,3-0,4) до 1: (350-560) и зависит от глубины залегания и возраста нефти. В некоторых нефтях идентифицирован β-нафтол. Высказано предположение о наличии соединений типа о-фенилфенолов, находящихся в нефтях в связанном состоянии из-за склонности к образованию внутримолекулярных водородных связей. При исследовании антиокислительной способности компонентов гетероор-ганических соединений нефти установлено, что концентраты фенольных соединений являются наиболее активными природными ингибиторами.
В нейтральных кислородсодержащих соединениях калифорнийских нефтей обнаружены все простейшие алкилкетоны С з -С 6 , ацетофенон и его нафтено- и арено-производные, флуоренон и его ближайшие гомологи. Выход из самотлорской нефти концентрата кетонов, состоящий в основном из диалкилкетонов, составляет 0,36 %, при этом степень извлечения кетонов составляет только 20 %, что свидетельствует о наличии кетонов больших молекулярных масс, не извлекаемых по данной методике. При исследовании кетонов нефтях Западной Сибири установлено, что в них присутствуют кетоны С 19 -Сз 2, причем в метановых нефтях преобладают алифатические кетоны, а в нафтеновых нефтях - с циклановыми и ароматическими заместителями.
Можно предполагать наличие в нефтях спиртов в свободном состоянии, в связанном они входят в состав сложных эфиров. Из гетероорганических соединений нефти наиболее изучена склонность кислородсодержащих соединений к интенсивным межмолекулярным взаимодействиям.
Исследование азотсодержащих соединений возможно двумя путями - непосредственно в сырой нефти и после их выделения и разделения. Первый путь позволяет изучить азотсодержащие соединения в состоянии, близком к природному, однако при этом не исключено возникновение заметных ошибок из-за малой концентрации этих соединений. Второй путь позволяет подобные ошибки уменьшить, но в процессе химического воздействия на нефть при разделении и выделении возможно изменение их структуры. Установлено, что азотсодержащие соединения в нефти представлены преимущественно циклическими соединениями. Алифатические азотсодержащие соединения встречаются лишь в продуктах деструктивной переработки нефти, в которых они образуются в результате разрушения азотистых гетероциклов.
Все азотсодержащие соединения нефти являются, как правило, функциональными производными аренов, в связи с чем имеют сходное с ними молекулярно-массовое распределение. Однако в отличие от аренов азотсодержащие соединения концентрируются в высококипящих фракциях нефти и являются составной частью CAB. До 95 % имеющихся в нефти атомов азота сосредоточены в смолах и асфальтенах. Высказано мнение, что при выделении смол и асфальтенов с ними соосаждаются в виде донорно-акцепторных комплексов даже сравнительно низкомолекулярные азотсодержащие соединения.
В соответствии с общепринятой классификацией по кислотно-основному признаку азотсодержащие соединения делятся на азотистые основания и нейтральные соединения.
Азотсодержащие основания являются, по-видимому, единственными носителями основных свойств среди компонентов нефтяных систем. Доля азотсодержащих оснований в нефти, титруемых хлорной кислотой в уксуснокислой среде, колеблется от 10 до 50 %. В настоящее время в нефтях и нефтепродуктах идентифицировано более 100 алкил- и ареноконденсированных аналогов пиридина, хинолина и других оснований.
Сильноосновные азотсодержащие соединения представлены пиридинами и их производными:
К слабоосновным азотсодержащим соединениям относятся анилины, амиды, имиды и N-циклоалкилпроизводные, имеющие в пиррольном кольце в качестве заместителя алкильные, циклоалкильные и фенильные группы:
К нейтральным азотсодержащим соединениям, не содержащим в молекулах иных гетероатомов, кроме атома азота, и выделенным из нефти, относятся индолы, карбазолы и их нафтеновые и серосодержащие производные:
При выделении нейтральные азотсодержащие соединения образуют ассоциаты с кислородсодержащими соединениями и извлекаются попутно с азотсодержащими основаниями.
Наряду с названными монофункциональными в нефтях идентифицированы следующие азотсодержащие соединения:
1. Полиароматические с двумя атомами азота в молекуле:
2. Соединения с двумя гетероатомами (азота и серы) в одном цикле – тиазолы и бензтиазолы и их алкил- и нафтеновые гомологи:
3. Соединения с двумя гетероатомами азота и серы в разных циклах: тиофенсодержащие алкил-, циклоалкилиндолы и карбазолы.
4. Соединения с карбонильной группой в азотсодержащем гетероцикле, такие как пиперидоны и хинолоны:
5. Порфирины. Строение порфиринов, представляющих собой комплексные соединения с ванадилом VO, никелем и железом, будет рассмотрено ниже.
Значение азотсодержащих соединений нефти как природных ПАВ очень велико, они во многом наряду с CAB определяют поверхностную активность на жидких границах раздела фаз и смачивающую способность нефти на границах раздела порода - нефть, металл - нефть. Азотсодержащие соединения и их производные - пиридины, гидроксипиридины, хинолины, гидроксихинолины, имидазолины, оксазолины и т. д. - являются природными нефтерастворимыми ПАВ, обладающими ингибирующими свойствами при коррозии металлов в процессе добычи, транспортировки и переработки нефти. Более слабыми поверхностно-активными свойствами характеризуются такие азотсодержащие соединения нефти, как гомологи пиррола, индола, карбазола, тиазолы и амиды.
Смолоасфальтеновые вещества (CAB ). Одной из наиболее представительных групп гетероорганических высокомолекулярных соединений нефти являются CAB. Характерные особенности CAB - значительные молекулярные массы, наличие в их составе различных гетероэлементов, полярность, парамагнетизм, высокая склонность к ММВ и ассоциации, полидисперсность и проявление выраженных коллоидно-дисперсных свойств - способствовали тому, что для их исследования оказались неподходящими методы, обычно применяемые при анализе низкокипящих компонентов. Учитывая специфику изучаемого объекта, Сергиенко С.Р. более 30 лет тому назад выделил химию высокомолекулярных соединений нефти в самостоятельный раздел химии нефти и внес крупный вклад в ее становление своими основополагающими работами.
До 60-70-х годов исследователи определяли физико-химические характеристики CAB (некоторые из них приведены в табл. 2.4) и пытались представить структурную формулу средней молекулы асфальтенов и смол на основании данных инструментального структурного анализа.
Подобные попытки предпринимают и в настоящее время. Изменяющиеся в значительных пределах величины элементного состава, средних молекулярных масс, плотности, растворимости и т. п. для образцов CAB различных отечественных и зарубежных нефтей отражают разнообразие природных нефтей. В смолах и асфальтенах сосредоточены большая часть присутствующих в нефти гетероэлементов и практически все металлы.
Азот в CAB преимущественно входит в гетероароматические фрагменты пиридинового (основного), пиррольного (нейтрального) и порфиринового (металлокомплексного) типа. Сера входит в состав гетероциклов (тиофеновых, тиациклановых, тиазольных), тиольных групп и сшивающих молекулы сульфидных мостиков. Кислород в смолах и асфальтенах представлен в форме гидроксильных (фенольных, спиртовых), карбоксильных, эфирных (простых, сложных лактонных), карбонильных (кетонных, хинонных) групп и фурановых циклов. Между молекулярной массой асфальтенов и содержанием гетероэлементов есть определенное соответствие (рис. 2.2).
Охарактеризуем современный уровень представлений о CAB. Йен отмечает универсальный характер асфальтенов как составной части природных углеродных источников, не только каустобиолитов (нефтей и твердых топлив), но также осадочных пород и метеоритов.
Согласно классификации природных ископаемых с углеводородной основой, предложенной Абрахамом, к нефтям относят те, что содержат до 35-40 % (масс.) CAB, а природные асфальты и битумы содержат до 60-75 % (масс.) CAB, по другим данным - до 42-81 %. В отличие от более легких компонентов нефти, признаком отнесения которых к своим группам было сходство их химического строения, критерием объединения соединений в класс под названием CAB служит их близость по растворимости в конкретном растворителе. При действии на нефть и нефтяные остатки больших количеств петролейного эфира, низкокипящих алканов происходит осаждение веществ, называемых асфальтенами , которые растворимы в низших аренах, и сольватирование других компонентов - мальтенов, состоящих из углеводородной части и смол.
В основе современных схем разделения тяжелой части нефти лежат классические приемы, впервые предложенные Маркуссоном. Нерастворимые в сероуглероде и других растворителях вещества относят к карбоидам. Вещества, растворимые только в сероуглероде и осаждающиеся четыреххлористым углеродом, называют карбенами . Карбоиды и карбены , как правило, обнаруживаются в составе тяжелых продуктов деструктивной переработки нефти в количестве нескольких процентов и будут рассмотрены отдельно ниже. В составе сырых нефтей и в остатках первичной переработки нефти их практически нет.
От растворителя зависят и свойства выделенных асфальтенов. Следствием различий природы и свойств растворителей является то, что молекулярная масса асфальтенов из арабских нефтей при растворении в бензоле в среднем выше в 2 раза, чем в тетрагидрофуране. (табл. 2. 5).
Таблица 2.5
Растворитель Параметр раство- Диэлектрическая Дипольный момент, Д римости проницаемость
Тетрагидрофуран 9,1 7,58 1,75 Бензол 9,2 2,27 0
В процессе развития представлений о строении и природе нефтяных CAB можно выделить два основных этапа, связанных общей идеей о коллоидно-дисперсном строении, но различающихся методическим подходом к оценке строения единичного элемента коллоидной структуры. На первом этапе - этапе химических представлений о строении молекул CAB - применяли стандартный химический подход для идентификации строения неизвестного соединения. После установления молекулярной массы, элементного состава и брутто-формулы молекул смол и асфальтенов C n H 2 n - z N p S g O r . Затем вычисляли значение z. Для смол оно составляло 40-50, для асфальтенов - 130-140. Типичный пример результатов таких исследований для образцов CAB различных отечественных и зарубежных нефтей представлен в табл. 2.4. (см. табл. 1.4). Как видно, асфальтены отличаются от смол из того же источника повышенным содержанием углерода и металлов и пониженной долей водорода, более значительными размерами полиароматических ядер, а также меньшей средней длиной крупных алифатических заместителей и меньшим числом ациклических фрагментов, непосредственно сконденсированных с ароматическими ядрами.
Второй этап можно характеризовать как этап развития физических представлений о строении асфальтенов и анализа причин, обусловливающих склонность асфальтенов к ассоциации. Действительно, объяснение зависимости молекулярной массы от условий определения (см. табл. 2.5), а также ее прямолинейной зависимости от размеров частиц асфальтенов (рис. 1.5) стало возможно в рамках качественно новых представлений о строении асфальтенов.
В 1961г. Т. Йен предложил так называемую пачечную модель строения асфальтенов типа "plate to plate". В основу модели была положена не необходимость ее соответствия вычисленным структурным параметрам о составе асфальтенов, а принципиаль ная возможность плоскопараллельной ориентации полиароматических фрагментов разных молекул. Их объединение в результате межмолекулярных (π - π, донорно-акцепторных и др.) взаимодействий происходит с образованием слоистых стэкинг-структур (термин "стэкинг" принят в молекулярной биологии для обозначения стопкообразного расположения молекул одна над другой).
Рис. 2.5. Корреляция между размером частиц асфальтенов (D) и их молекулярной массой (М)
В соответствии с моделью Йена на основе данных рентгеновской дифракции асфальтены имеют кристаллическую структуру и представляют собой стэкинг-структуры диаметром 0,9-1,7 нм из 4-5 слоев, отстоящих друг от друга на 0,36 нм. Размер стэкинг-структур по нормали к плоскости ароматических пластин составляет 1,6-2,0 нм (рис. 2.6). Прямолинейными отрезками показаны плоские полиароматические, а ломаными - насыщенные фрагменты молекул. Полиароматические фрагменты представлены сравнительно некрупными, чаще всего не более чем тетрациклическими, ядрами. Из алифатических фрагментов наиболее распространенными являются короткие алкильные группы С 1 -С 5 , в первую очередь метильные, но присутствуют и линейные разветвленные алканы, содержащие 10 углеродных атомов и более. Есть в молекулах CAB и полициклические насыщенные структуры с 1-5 конденсированными циклами, преимущественно бицикланы.
В рамках модели Йена отмеченная выше зависимость молекулярной массы асфальтенов от условий выделения и природы растворителя легко объясняется ассоциацией, предполагающей несколько уровней структурной организации асфальтенов: молекулярно-диспергированное состояние (I), в котором асфальтены находятся в виде отдельных слоев; коллоидное состояние (II), являющееся результатом образования стэкинг-структур с характерными размерами; дисперсное кинетически устойчивое состояние (III), возникающее при агрегировании стэкинг-структур, и дисперсное кинетически неустойчивое состояние (IV), сопровождающееся выделением осадка.
Рис.
2.6. Модель строения асфальтенов по Йену
Модели пачечной структуры строения асфальтенов придерживаются многие современные исследователи. Унгер Ф.Г. высказал оригинальную точку зрения на процесс возникновения и существования CAB в нефти. Нефти и нефтяные системы, содержащие CAB, по его мнению, - термодинамически лабильные парамагнитные ассоциированные растворы. Ядра ассоциатов таких растворов образованы асфальтенами, в которых локализованы стабильные свободные радикалы, а окружающие ядра сольватные слои состоят из диамагнитных молекул смол. Часть диамагнитных молекул смол способна переходить в возбужденное триплетное состояние и подвергаться гемолизу. Поэтому смолы являются потенциальным источником асфальтенов, что объясняет отмеченную еще Гурвичем Л.Г. легкость превращения смол в асфальтены.
Итак, новизна изложенных представлений связана с утверждением особой роли обменных взаимодействий для объяснения природы CAB. В отличие от пачечной модели развивается идея о центрально-симметричном устройстве частицы CAB. Впервые она была постулирована Д. Пфайфером и Р. Саалем, предложившими статическую модель строения структурной единицы асфальтенов. Согласно ей ядро структурной единицы образовано высокомолекулярными полициклическими углеводородами и окружено компонентами с постепенно снижающейся степенью ароматичности. Нейман Г. подчеркивал, что энергетически выгодно обращение полярных групп внутрь структурной единицы, а углеводородных радикалов - наружу, что находится в согласии с правилом уравнивания полярности по Ребиндеру.
Порфирины являются типичными примерами нативных нефтяных комплексных соединений. Порфирины с ванадием в качестве координационного центра (в форме ванадила) или никелем (см. 11). Ванадилпорфирины нефти - в основном гомологи двух рядов: алкилзамещенных порфиринов с различным суммарным числом атомов углерода в боковых заместителях порфинового цикла и порфиринов с дополнительным циклопентеновым кольцом. Металлпорфириновые комплексы присутствуют в природных битумах до 1 мг/100 г, а в высоковязких нефтях - до 20 мг/100 г нефти. При исследовании характера распределения металлпорфириновых комплексов между составными частями НДС в работе методами экстракции и гель-хроматографии установлено, что 40 % ванадилпорфиринов сосредоточено в дисперсных частицах (примерно поровну в составе ядра и сольватного слоя), а оставшаяся их часть и никель-порфирины содержатся в дисперсионной среде.
Ванадилпорфирины в составе асфальтенов вносят значительный вклад в поверхностную активность нефтей, при этом собственная поверхностная активность асфальтенов невелика. Так, исследование нефтей Башкирии показало, что поверхностное натяжение нефтей на границе с водой сильно коррелирует с содержанием в них ванадилпорфиринов, в то время как коэффициент корреляции с содержанием в них асфальтенов относительно невысок (рис. 2.7).
В меньшей степени изучено влияние металлпорфиринов на дисперсное строение нефти и условия протекания фазовых переходов в нефтяных системах. Есть данные об их отрицательном влиянии наряду с другими гетероатомными компонентами на каталитические процессы нефтепереработки. Помимо этого, они должны сильно влиять на кинетику и механизм фазовых переходов в НДС.
Рис. 2.7. Изотермы межфазного натяжения а на границе с водой:
а - бензольные растворы асфальтенов: 1- асфальтены с порфиринами; 2-5 - асфальтены по мере удаления порфиринов после одной, пяти, семи, тринадцати экстракций соответственно; б - нефтей Башкирии
Тест по теме: «Кислородсодержащие и азотсодержащие органические вещества» (10 класс)
Уважаемые обучающиеся, данная проверочная работа является итогом изучения темы «Кислородсодержащие и азотсодержащие органические вещества » и влияет на выставление отметки на триместр. На ее выполнение вам дается 40 минут. При выполнении запрещается пользоваться учебником, справочными материалами и Inttrnet.
Желаю успеха!
1. Наибольшую активность имеет атом водорода в молекуле
2. Взаимодействуют между собой
3. Не взаимодействуют между собой
4. Уксусная кислота может реагировать с каждым из двух веществ
5. Верны ли следующие суждения о свойствах уксусной кислоты?
1.Уксусная кислота не реагирует с карбонатом натрия.
2. Раствор уксусной кислоты проводит электрический ток.
6. Реакция дегидратации возможна для
7. Гидроксид натрия будет реагировать с
9. Продуктом окисления пропанола не может являтся
10. При нагревании 57,5 г этанола с концентрированной серной кислотой образовалось два органических соединения А и Б. Вещество А - газ, может обесцветить 100 г 40%-ного раствора брома в тетрахлорметане. Вещество Б - легкокипящая жидкость. Определите полученные соединения А и Б, также вычислите объем А (при н.у.) и массу Б, считая, что этанол вступил в реакцию полностью.
| Проверяемое содержание | Проверяемые умения |
|
| Свойства веществ | ||
| Свойства фенола | Умение проводить выбор одного ответа из четырех предложенных вариантов |
|
| Свойства спиртов | Умение проводить выбор одного ответа из четырех предложенных вариантов |
|
| Свойства органической кислоты | Умение проводить выбор одного ответа из четырех предложенных вариантов |
|
| Свойства органической кислоты | Умение проводить выбор одного ответа из четырех предложенных вариантов |
|
| Реакции дегидратации органических веществ | ||
| Свойства органических кислот и фенола | Умение проводить множественный выбор |
|
| Проведение цепочки реакций | Умение проводить множественный выбор |
|
| Свойства спиртов | Умение проводить множественный выбор |
|
| Свойства спиртов | Умение записывать и решать задачи |
Ключи к тесту
10. 5,6 л этена и 37 г диэтилового эфира
Один из наиболее распространенных химических элементов, входящий в подавляющее большинство химических веществ - это кислород. Оксиды, кислоты, основания, спирты, фенолы и другие кислородсодержащие соединения изучаются в курсе неорганической и органической химии. В нашей статье мы изучим свойства, а также приведем примеры их применения в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.
Оксиды
Наиболее простыми по строению являются бинарные соединения металлов и неметаллов с кислородом. Классификация оксидов включает следующие группы: кислотные, основные, амфотерные и безразличные. Главный критерий деления всех этих веществ заключается в том, какой элемент соединяется с кислородом. Если это металл, то они относятся к основным. Например: CuO, MgO, Na 2 O - окиси меди, магния, натрия. Их основное химическое свойство - это реакция с кислотами. Так, оксид меди реагирует с хлоридной кислотой:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O + 63, 3 кДж.
Присутствие атомов неметаллических элементов в молекулах бинарных соединений свидетельствует об их принадлежности к кислотным водорода H 2 O, углекислый газ CO 2 , пятиокись фосфора P 2 O 5 . Способность таких веществ реагировать со щелочами - главная их химическая характеристика.
В результате реакции могут образовываться видов: кислые или средние. Это будет зависеть от того, сколько моль щелочи вступает в реакцию:
- CO2 + KOH => KHCO3;
- CO2+ 2KOH => K2CO3 + H2O.
Еще одну группу кислородсодержащих соединений, в которые входят такие химические элементы, как цинк или алюминий, относят к амфотерным оксидам. В их свойствах прослеживается тенденция к химическому взаимодействию как с кислотами, так и со щелочами. Продуктами взаимодействия кислотных оксидов с водой являются кислоты. Например, в реакции серного ангидрида и воды образуется Кислоты - это один из наиболее важных классов кислородсодержащих соединений.
Кислоты и их свойства
Соединения, состоящие из водородных атомов, связанных со сложными ионами кислотных остатков - это кислоты. Условно их можно разделить на неорганические, например, карбонатную кислоту, сульфатную, нитратную, и органические соединения. К последним принадлежат уксусная кислота, муравьиная, олеиновая кислоты. Обе группы веществ имеют схожие свойства. Так, они вступают в реакцию нейтрализации с основаниями, реагируют с солями и основными оксидами. Практически все кислородсодержащие кислоты в водных растворах диссоциируют на ионы, являясь проводниками второго рода. Определить кислый характер их среды, обусловленной избыточным присутствием водородных ионов, можно с помощью индикаторов. Например, фиолетовый лакмус при добавлении его в раствор кислоты приобретает красную окраску. Типичным представителем органических соединений является уксусная кислота, содержащая карбоксильную группу. В нее входит атом водорода, который и обуславливает кислотные Это бесцветная жидкость со специфическим резким запахом, кристаллизующаяся при температуре ниже 17 °С. CH 3 COOH, как и другие кислородсодержащие кислоты, прекрасно растворяется в воде в любых пропорциях. Ее 3 - 5 % раствор известен в быту под названием уксуса, который используют в кулинарии как приправу. Вещество нашло свое применение также в производстве ацетатного шелка, красителей, пластических масс и некоторых лекарственных средств.
Органические соединения, содержащие кислород
В химии можно выделить большую группу веществ, содержащих, кроме углерода и водорода, еще и кислородные частицы. Это карбоновые кислоты, эфиры, альдегиды, спирты и фенолы. Все их химические свойства определяются присутствием в молекулах особых комплексов - функциональных групп. Например, спирта, содержащего только предельные связи между атомами - ROH, где R - углеводородный радикал. Эти соединения принято рассматривать как производные алканов, у которых один водородный атом замещен гидроксогруппой.
Физические и химические свойства спиртов
Агрегатное состояние спиртов - это жидкости или твердые соединения. Среди спиртов нет газообразных веществ, что можно объяснить образованием ассоциатов - групп, состоящих из нескольких молекул, соединенных слабыми водородными связями. Этим фактом определяется и хорошая растворимость низших спиртов в воде. Однако в водных растворах кислородсодержащие органические вещества - спирты, не диссоциируют на ионы, не изменяют цвет индикаторов, то есть имеют нейтральную реакцию. Атом водорода функциональной группы слабо связан с другими частицами, поэтому в химических взаимодействиях способен покидать пределы молекулы. По месту же свободной валентности происходит его замещение на другие атомы, например, в реакциях с активными металлами или со щелочами - на атомы металла. В присутствии катализаторов, таких, как платиновая сетка или медь, спирты окисляются энергичными окислителями - бихроматом или перманганатом калия, до альдегидов.
Реакция этерификации
Одно из важнейших химических свойств кислородсодержащих органических веществ: спиртов и кислот - это реакция, приводящая к получению сложных эфиров. Она имеет большое практическое значение и используется в промышленности для добывания эстеров, применяемых в качестве растворителей, в пищевой промышленности (в виде фруктовых эссенций). В медицине некоторые из эфиров применяют в качестве спазмолитиков, например, этилнитрит расширяет периферические кровеносные сосуды, а изоамилнитрит является протектором спазмов коронарных артерий. Уравнение реакции этерификации имеет следующий вид:
CH3COOH+C2H5OH<--(H2SO4)-->CH3COOC2H5+H2O
В ней CH 3 COOH - это уксусная кислота, а C 2 H 5 OH - химическая формула спирта этанола.
Альдегиды
Если соединение содержит функциональную группу -COH, то оно относится к альдегидам. Их представляют как продукты дальнейшего окисления спиртов, например, такими окислителями, как оксид меди.
Присутствие карбонильного комплекса в молекулах муравьиного или уксусного альдегида обуславливают их способность полимеризоваться и присоединять атомы других химических элементов. Качественными реакциями, с помощью которых можно доказать наличие карбонильной группы и принадлежность вещества к альдегидам, являются реакция серебряного зеркала и взаимодействие с гидроокисью меди при нагревании:
Наибольшее применение получил ацетальдегид, используемый в промышленности для получения уксусной кислоты - много тоннажного продукта органического синтеза.
Свойства кислородсодержащих органических соединений - карбоновых кислот
Наличие карбоксильной группы - одной или нескольких - это отличительная черта карбоновых кислот. Благодаря строению функциональной группы, в растворах кислот могут образовываться димеры. Они связаны между собой водородными связями. Соединения диссоциируют на катионы водорода и анионы кислотного остатка и являются слабыми электролитами. Исключением служит первый представитель ряда предельных одноосновных кислот - муравьиная, или метановая, являющаяся проводником второго рода средней силы. Присутствие в молекулах только простых сигма- связей говорит о предельности, если же вещества имеют в своем составе двойные пи-связи - это непредельные вещества. К первой группе относятся такие кислоты, как метановая, уксусная, масляная. Вторая представлена соединениями, входящими в состав жидких жиров - масел, например, олеиновой кислотой. Химические свойства кислородсодержащих соединений: органических и неорганических кислот во многом похожи. Так, они могут взаимодействовать с активными металлами, их оксидами, со щелочами, а также со спиртами. Например, уксусная кислота реагирует с натрием, оксидом и с образованием соли - ацетата натрия:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
Особое место занимают соединения высших карбоновых кислородсодержащих кислот: стеариновой и пальмитиновой, с трехатомным предельным спиртом - глицерином. Они относятся к сложным эфирам и называются жирами. Эти же кислоты входят в состав солей натрия и калия в качестве кислотного остатка, образуя мыла.
Важные органические соединения, широко распространенные в живой природе и играющие ведущую роль в качестве наиболее энергоемкого вещества - это жиры. Они представляют собой не индивидуальное соединение, а смесь разнородных глицеридов. Это соединения предельного многоатомного спирта - глицерина, который, как и метанол и фенол, содержит гидроксильные функциональные группы. Жиры можно подвергнуть гидролизу - нагреванию с водой в присутствии катализаторов: щелочей, кислот, оксидов цинка, магния. Продуктами реакции будут глицерин и различные карбоновые кислоты, в дальнейшем используемые для производства мыла. Чтобы в этом процессе не использовать дорогостоящие природные необходимые карбоновые кислоты получают, окисляя парафин.
Фенолы
Заканчивая рассматривать классы кислородсодержащих соединений, остановимся на фенолах. Они представлены радикалом фенилом -C 6 H 5 , соединенным с одной или несколькими функциональными гидроксильными группами. Простейший представитель этого класса - карболовая кислота, или фенол. Как очень слабая кислота, он может взаимодействовать со щелочами и активными металлами - натрием, калием. Вещество с ярко выраженными бактерицидными свойствами - фенол применяется в медицине, в также при производстве красителей и фенолформальдегидных смол.
В нашей статье мы изучили основные классы кислородсодержащих соединений, а также рассмотрели их химические свойства.
Нажав на кнопку "Скачать архив", вы скачаете нужный вам файл совершенно бесплатно.
Перед скачиванием данного файла вспомните о тех хороших рефератах, контрольных, курсовых, дипломных работах, статьях и других документах, которые лежат невостребованными в вашем компьютере. Это ваш труд, он должен участвовать в развитии общества и приносить пользу людям. Найдите эти работы и отправьте в базу знаний.
Мы и все студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будем вам очень благодарны.
Чтобы скачать архив с документом, в поле, расположенное ниже, впишите пятизначное число и нажмите кнопку "Скачать архив"
Подобные документы
Номенклатура производных бензола, их разновидности и методики получения, принципы и направления практического использования. Строение бензола и его ароматичность. Правило Хюккеля и особенности его применения. Небензоидные ароматические соединения.
реферат , добавлен 05.08.2013
Ароматические углеводороды: общая характеристика. Номенклатура и изомерия, физические и химические свойства ароматических углеводородов. Механизм реакций электрофильного и нуклеофильного замещения в ароматическом ряду. Применение аренов, их токсичность.
реферат , добавлен 11.12.2011
Алканы - предельные углеводороды, содержащие только простые связи углерода. Получение алканов: промышленный метод, нитрование и окисление. Углеводороды, содержащие двойную связь углерода - алкены или этиленовые углеводороды. Диеновые углеводороды.
лекция , добавлен 05.02.2009
Непредельные соединения, с двумя двойными связями в молекуле - диеновые углеводороды. Связь между строением диеновых углеводородов и их свойствами. Способы получения девинила, изопрена, синтетического каучука. Органические галогениды и их классификация.
лекция , добавлен 19.02.2009
Строение, номенклатура алкенов. Ненасыщенные углеводороды, молекулы которых содержат одну двойную С-С-связь. Гибридизация орбиталей. Изображение пространственного строения атомов. Пространственная изомерия углеродного скелета. Физические свойства алкенов.
презентация , добавлен 06.08.2015
Развитие представлений об органическом происхождении нефти. Парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды. Давление насыщения нефти газом. Температура кристаллизации, помутнения, застывания. Различие свойств нефти в пределах нефтеносной залежи.
учебное пособие , добавлен 05.02.2014
Понятие алканов (насыщенные углеводороды, парафины, алифатические соединения), их систематическая и рациональная номенклатура. Химические свойства алканов, реакции радикального замещения и окисления. Получение и восстановление непредельных углеводородов.
